Как работает витая пара и почему у нее скручены провода

Витая пара (от англ. “twisted pair”), несмотря на распространение оптоволокна и беспроводных коммуникаций, остается востребованным, надежным, простым средством формирования локальных сетей, подключения к Интернету. Но немногие, однако, знают принцип работы витой пары и почему в кабеле скручены провода. В материале подробно разбираем все моменты и отвечаем на популярные вопросы.

Почему кабель витой

Вопрос напрашивается из-за конструкции силовых, коаксиальных кабелей, в которых используется одна центральная жила. Причина – пропускная способность. Частота сигнала питания невысока, требования к пропускной способности – минимальны. Применимо это и к аналоговым коаксиальным кабелям, рабочая частота которых – десятки килогерц.

Ethernet-кабель – другое дело. Передача информации ведется в формате высокочастотных сигналов (100, 250 и более мегагерц). Они генерируют выраженные электромагнитные наводки, влияющие на соседние проводники, снижающие эффективность их работы. Указанное явление называется “перекрестными помехами”. 

1. Первый способ борьбы с “перекрестными помехами” – кодирование сигнала. Оно подразумевает генерацию проводниками идентичных по силе, но противоположных по значению магнитных полей. По первой жиле передается положительное напряжение, по второй – отрицательное. “Плюс” в таком случае компенсирует “минус”, выраженность проблемы снижается.
2. Второй способ – ответ на вопрос, вынесенный в подзаголовок. Металлические жилы скручиваются друг с другом. Зазор между ними оказывается не постоянным, как при параллельной прокладке, а меняющимся. Это стабилизирует магнитное поле, способствует эффективному его подавлению. 
3. Третий способ – изменение шага скручивания. Он неактуален только в случае, если структура сформирована 2 проводниками. В прочих – простое конструктивное решение эффективно подавляет внутренние наводки.

Немного истории

Явление “перекрестных помех” не ново. С ним столкнулись еще инженеры конца XIX столетия. Развивалась телеграфная связь, прокладывались электрические линии. Количество проводов увеличивалось, выраженность генерируемых ими магнитных полей росла. В результате – возникали серьезные проблемы со связью. Исходный сигнал искажался настолько, что оказывался совершенно неразборчивым на приемнике.

Первым решением оказалась транспозиция – зеркальная смена положения проводов через каждые 3-4 опоры. Известный американский ученый Александр Белл в 1881 году развил эту идею. Он представил кабель, состоящий из разделенных перекрученных металлических жил. По сути, именно изобретение Белла – прообраз современных интернет-кабелей.

Как работает витая пара - принцип действия

Информация по металлическим жилам передается в формате электрических импульсов. Несмотря на принадлежность к цифровой категории, в Ethernet-проводе не обнаружить ни битов, ни байтов. Сеанс связи инициируется первым устройством (например, ПК). Оно создает и отправляет запрос на второй компьютер – передает ответ в виде импульса определенного напряжения.

Более подробное описание алгоритма:

1. Деление данных, запланированных к отправке, на биты;
2. Кодировка в двоичную систему;
3. Старт передачи.

Электрические импульсы не идентичны по характеристикам, а различны по напряжению и продолжительности. Важно, что транслируется пара сигналов. У первого – плюсовой вольтаж, у второго – минусовой. Принимающее устройство фиксирует сигналы и раскодирует их, ориентируясь на параметры импульсов. Благодаря дешифровке формируется двоичный код, пользователь получает искомые данные. Условные примеры:

• Двоичный код “0 1” – импульсы с напряжением в 5 и минус 5 вольт, длительностью 2 миллисекунды;
• Двоичный код “1 1” – напряжение 2 и минус 2, вольта при длительности в 4 миллисекунды.

Согласно официальной терминологии, такой алгоритм обозначается как “манчестерский код” и протекает на первом, физическом, уровне передачи.

Помехи и экранирование

Проблемы при передаче сигнала связаны как с внутренними наводками, так и с внешними. Их источники – радиопередатчики, генераторы, силовые линии и прочее, что создает вокруг себя мощное ЭМ-поле. От таких нагрузок скручивание защищает плохо, требуется более надежное решение – экранирование. 

Витые пары без экранирования маркируются как UTP. Прокладывать их можно только на объектах, где магнитное поле отсутствует. В производственных цехах, на объектах электроэнергетики, в офисах со сложным электронным оснащением требуются экранированные аналоги:

• F/UTP. Фольгированный общий экран блокирует внешние наводки;
• S/FTP. Повышенная надежность и защита. Фольгированный экран на каждом проводнике и общая медная оплетка (оболочка) – уменьшение влияния внешних электромагнитных полей на максимальном уровне;
• SF/UTP. Общий фольгированный экран и оплетка;
• U/FTP. Экранирование каждого кабельного проводника алюминиевой фольгой.

При комплектации таких Ethernet-проводов надлежит использовать экранированные коннекторы.

Почему в кабеле несколько пар?

Одиночные проводники, как правило, подходят только для передачи сигналов малой частоты. Это актуально для силовых, коаксиальных аналоговых и подобных кабелей. В интернет-коммуникациях частота измеряется сотнями мегагерц, доходит до гигагерц. Использование одинарных жил в таком случае окажется малоэффективным, либо невозможным. 

Использование нескольких пар решает следующие задачи:

1. Обеспечение совместимости с высокочастотными сигналами. Например, для категории 5e значение составляет 100 мегагерц, Cat.6 – 250, Cat.6a – 500. С увеличением частоты растет пропускная способность, скорость передачи информации;
2. Защита от “перекрестных помех”. Сигналы, идущие по проводникам, имеют противоположное напряжение. Это компенсирует генерируемое ими электромагнитное поле;
3. Увеличение дальности связи. Благодаря предыдущей особенности, электрический импульс распространяется дальше, дольше сохраняет мощности. Оказывается возможной прокладка линий связи большой протяженности без монтажа повторителей, усилителей;
4. Поддержка технологии Power-over-Ethernet. Не всегда все металлические жилы используются для передачи сигнала. Задача кабеля, поддерживающего PoE – не просто обеспечение связи с устройством, но и его электропитание. Такой подход упрощает структуру сети, избавляет от прокладки отдельных силовых линий, наладки автономного энергоснабжения. Особенно актуально для подключения удаленного низковольтного оборудования: IP-камер, датчиков, счетчиков.

Увеличение количества пар также увеличивает пропускную способность. Например, задействование двух проводников в проводе категории 5e даст максимум в 100 мегабит в секунду, четырех – десятикратно больше.

FAQ

1. Зачем в витой паре скручены провода?

Кабель вьют для управления электромагнитными полями, возникающими при движении тока по проводнику. Основная цель – минимизация взаимных наводок, увеличение защищенности. Скручивание позволяет распределить помехи равномерно, минимизировать их выраженность. Это исключает сложности при обработке сигнала приемником, препятствует потерям пакетов данных.

2. Нужно ли экранирование?

Скручивание защищает от внутренних помех, но бессильно – перед внешними. Уязвимость сигнала к помехам, при этом, растет с увеличением частоты. Для обеспечения высоких скоростей передачи при прокладке линии вблизи силовых устройств, радиопередатчиков, следует использовать экранированные Ethernet-кабели.

3. Как передается сигнал по витой паре?

В виде электрических импульсов определенного напряжения и длительности. Изменение показателей позволяет передавать двоичный код, расшифровываемый приемником. 

Вывод

Несмотря на принадлежность к цифровому классу, сигнал, передаваемый по витой паре, имеет аналоговую форму, является электрическим импульсом. Впрочем, эта особенность положительно сказывается на надежности, стабильности связи.

Структура витой пары направлена на снижение выраженности помех. Скручивание проводников, изменение его шага, противоположность показателей напряжения импульса – все это гарантирует четкость передачи, высокую пропускную способность даже на значительную длину кабеля.